Autoforum

/

Foto: Archiv Autoforum.cz

(+ videa) Různé typy turbodmychadel jsou různě efektivní a různě drahé. A většina chce spojit výhody malého turba s pozitivy velkého do jednoho.

Slovní spojení „motor přeplňovaný turbodmychadlem” je jednoduché napsat, přečíst si i vyslovit. Jenže doby, kdy byla turba pod všemi kapotami stejná, jsou dávno pryč. Dnes existují turbodmychadla úplně jednoduchá nebo také do různé míry složitá. Moderní dieselové motory používají většinou jiná turbodmychadla než přeplňované benzíny. A když máte v motoru dvě turbodmychadla, nemusí to znamenat, že půlka motoru roztáčí jedno a druhá půlka druhé.

Stejně tak je rozdíl mezi systémy „twin scroll turbo” a „twin turbo”, a to ne jen v názvu, protože v prvním případě máte pod kapotou jedno dmychadlo, ve druhém případě jsou dvě. A ta také nemusí být stejně velká a můžou být poskládaná různě za sebou nebo vedle sebe. A také může dmychadlo kromě výfukových plynů pohánět elektřina.

Člověk stojící za kanálem Engineering Explained na YouTube dal dohromady šest typů přeplňování motorů turbodmychadlem. Kompresorům se nevěnoval, to je trochu jiný příběh. Je to zajímavé, a to i proto, že ne všechny zmíněné formy najdeme v produkčních autech. Z různých důvodů - něco je příliš drahé, něco jiného zase příliš nové na to, aby to bylo masově používáno. Pojďme se na ně podívat.

1. Jednoduché turbodmychadlo

Principu fungování přeplňování jedním jednoduchým turbodmychadlem jsme se věnovali v samostatném článku - výfukové plyny pohánějí lopatky turbíny, hřídelí je pohyb přenesen na kompresor a ten do válců tlačí víc vzduchu, než by tam bylo nasáto přirozenou cestou.

Variability je dost už zde - záleží na tom, jak velké jsou jednotlivé části turba. Pochopitelně tuhle charakteristiku nejde měnit, ale můžete do motoru zabudovat různě velké dmychadlo. Velká turbodmychadla znamenají velký tlak a spoustu výkonu ve vysokých otáčkách, ale také prodlevu po sešlápnutí plynu v nízkých otáčkách. Malé turbodmychadlo se zase rychleji roztáčí a nabídne víc tlaku v nižších otáčkách, ale ve vysokých už motor dusí.

Tenhle typ přeplňování turbodmychadlem tedy má výhody - je ze všech nejlevnější a nejjednodušší na instalaci. Má ale také nevýhody, např. že takovéto turbo pracuje nejlépe, tj. dává největší tlak v poměrně úzkém spektru otáček. A také bývá odezva motoru na plyn nejpomalejší.

3. Dvě turbodmychadla

Systém známý jako „bi-turbo” nebo „twin turbo” podle toho, v jakém jazyce dáte okolí vědět, že ona turba jsou dvě, znamená... dvě turbodmychadla pod kapotou. Jedno turbo může roztáčet jedna půlka motoru, druhé turbo druhá půlka. Nebo může celý motor roztáčet jedno menší turbodmychadlo v nízkých otáčkách a následně ve vyšších otáčkách, kdy je výfukových plynů více, může být jejich trasa převedena na druhé, větší turbo - anebo proudí k oběma dmychadlům najednou, jsou-li stejně velká.

U paralelních turbodmychadel, kdy každé pohánějí výfukové plyny z jedné půlky motoru a obě tedy pracují vždy stejně, jsou výhody a nevýhody podobné jako u jednoho turbodmychadla výše. Sekvenční přeplňování, kdy napřed funguje menší turbo a pak větší nebo obě, umožňují plošší křivku točivého momentu resp. výkonu. Je ho dost v nízkých otáčkách díky malému turbu, ale ve vysokých otáčkách není proud výfukových plynů škrcen jeho velikostí. Nevýhody jsou pochopitelně zejména v nákladech, složitosti a v přidané hmotnosti.

3. Turbodmychadlo twin-scroll

Když se řekne „twin scroll”, pod kapotou je jen jedno turbodmychadlo, třebaže to některé mate, zvláště při různých interpretacích obchodních označení. Jenže má v turbínové části nikoliv jeden kanál pro přívod výfukových plynů, ale dva. Ke každému z těchto kanálů vedou svody tak, aby podtlak ve chvíli, kdy se výfukový ventil jednoho válce ještě nedovřel, ale jeho sací už se otvírá, neubíral energii výfukovým plynům, které zrovna začínají vycházet z jiného válce.

Máme-li zapalování ve válcích v pořadí 1 - 3 - 4 - 2 (čísla válců), povedou do jednoho kanálu svody z válců 1 a 4 a do druhého z válců 2 a 3. Takto výše zmíněný problém nenastane, protože válec 3, který by ubíral energii výfukovým plynům z válce 1, není napojen na stejné potrubí. Spojení nastává až u turbíny.

Výhody zde jsou jasné - více energie směřující na lopatky turbíny znamená větší otáčky turbíny, rychlejší roztáčení a víc vytvořeného tlaku na druhé straně turba. Různými stavbami lze také docílit širšího pásma využitelných otáček. A je možné manipulovat s překryvem otevření sacích a výfukových ventilů bez negativního efektu na energii výfukových plynů.

Nevýhodou je, pochopitelně, náročnost a cena takového zařízení. A je potřeba mít motor o určitém počtu válců, aby do každého kanálu turba proudily výfukové plyny z totožného počtu válců. Takže potřebujete třeba řadový čtyřválec nebo V8, který by dostal turba twin-scroll dvě, jako např. u BMW X5 M.

4. Turbo s proměnnou geometrií lopatek

Lopatky v turbodmychadle ve výsledku znamenají, že máme dvě turba - malé a velké - spojená do jednoho. Když jsou lopatky přivřené v nízkých otáčkách motoru, k turbíně výfukové plyny proudí rychleji, protože na to mají menší prostor, jako by dmychadlo bylo fyzicky malé. Turbo se tedy rychleji roztáčí, což znamená menší prodlevu turba a větší tlak v nízkých otáčkách motoru.

Ve vysokých otáčkách motoru jsou naopak lopatky otevřené, protože je výfukových plynů více. Úzký prostor mezi lopatkami by je zbytečně brzdil, jako fyzicky malé turbodmychadlo, proto se otevřou a vytvoří víc prostoru pro průchod výfukových plynů - jako ve fyzicky velkém turbu. To znamená maximální tlak ve vysokých otáčkách.

Lopatkami otáčí obruč vně turbíny, na kterou jsou všechny lopatky napojeny a k jejímu posunu je využíván elektromotor. Pochopitelně, tenhle typ turbodmychadel je z konvenčních typů nejsložitější, nejdražší a nejnáročnější na materiály. Používá u benzínových motorů jen zřídka, protože mají vyšší teploty výfukových plynů, které mohou snáze poškodit lopatky. Aby k tomu nedocházelo, musí být lopatky vyrobeny z jiných, dražších materiálů. Do budoucna se to může změnit, zatím tomu tak ale není.

U dieselů jsou naopak turba s variabilní geometrií lopatek běžná, protože nižší teplota výfukových plynů znamená menší nároky na lopatky a tedy nižší náklady na turbodmychadlo jako celek. Výhodou tohoto typu turba je samozřejmě plošší křivka točivého momentu resp. výkonu a širší pásmo otáček, kdy dává turbo maximální tlak. A také je to hmotnostně lehčí a jednodušší systém než dvě samostatná turbodmychadla.

5. Variabilní turbodmychadlo twin-scroll

Tento typ turba se zatím masově nepoužívá, je to relativně nový vynález firmy Borg Warner a ukázal se na veletrhu SEMA v loňském roce. Funguje na principu turbodmychadla twin-scroll, tedy že dva a dva válce mají oddělené svodové kanály až k turbu samotnému. Variabilita je v tom, že za standardní situace, kdy je výfukových plynů málo, jsou všechny klapkou vedeny do jedné půlky klasického turba twin-scroll. Tak je zvýšena jejich rychlost, turbína se rychleji roztáčí, to znamená menší prodlevu a větší tlak, stejně jako výše.

Když rostou otáčky motoru a výfukových plynů je čím dál víc, klapka se začíná otevírat, takže do dosud uzavřené půlky turba twin-scroll pouští trochu výfukových plynů. Postupně se otvírá až do chvíle, kdy jsou kanály zcela oddělené a máme před sebou v podstatě klasické dmychadlo twin-scroll , které je roztáčeno plyny z obou kanálů. Pro maximální množství výfukových plynů je maximální prostor.

Princip je tedy podobný jako u turba s variabilní geometrií lopatek, tedy jako by bylo několik dmychadel různé fyzické velikosti spojených do jednoho. Jenže klapek tu není několik těsně u turbíny, nýbrž jedna velká a teplu odolná dále před turbínou. Teoreticky je tedy takovéto dmychadlo levnější a odolnější než dmychadlo s variabilní geometrií lopatek, ale benefity jsou stejné - plošší křivka výkonu v širším spektru otáček motoru. Má také nevýhody - je složitější než klasické turbo twin-scroll a nápad s klapkou ve svodech, zužující prostor pro průchod výfukových plynů, tu už byl a příliš se neujal, třebaže princip byl trochu jiný.

6. Elektrická turbodmychadla

Přidáním elektromotoru k turbodmychadlu se zbavíte několika neduhů turba najednou, např. nevadí malé množství výfukových plynů v nízkých otáčkách u velkého turba, protože roztočení napomůže elektřina. Je tak téměř eliminována prodleva a turbo může dávat maximální tlak v nejširším spektru otáček, i když použijete jedno velké a jednoduché turbo.

Samozřejmě tu ale jsou nevýhody. Je potřeba někde vzít elektřinu a pouhý alternátor nestačí, takže je potřeba motoru přidat nějaký mikrohybridný systém. To znamená další elektromotor/generátor, který bude nějakým způsobem vyrábět elektřinu při zpomalování vozidla. A také akumulátory nebo kondenzátory, které elektřinu uschovají, než ji bude možno využít pro roztočení turbodmychadla. A jak asi tušíte, to vše znamená hmotnost a náklady navíc. Přesto se tomuto řešení z moderních vynálezů v poslední době věří nejvíce. Čas ukáže, jak moc je to oprávněné...

Zdroj: Engineering Explained@Car Throttle

Marek Bednář